MEDIDORES DE PRESSÃO RESUMO

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1 1 MEDIDORES DE PRESSÃO Aline Kênia Oliveira Anny Maria Silva Deiverson Alisson Rodrigues Fabíola Soares Nascimento George Paulo Lacerda Sobrinho Mateus Vínicius da Silva RESUMO Pressão é definida como uma força atuando em uma unidade de área e também um dos mais importantes padrões de medida, pois através da medição de pressão é possível medir vazão, nível dentre outros. Medição e controle de pressão é a variável de processo mais usada no controle de processos dentro das indústrias e nos seus mais diversos segmentos. Outras variáveis de processo como nível, volume, vazão e densidade são facilmente inferidas através da pressão. Palavras chave: Medição, pressão, controle. ABSTRACT Pressureis defined as aforce actingon aunit areaandalso one of themost importantmeasurement standards, because throughpressuremeasurement ispossible to measureflow,leveland others.measurement andcontrol isthe process variablemost usedin process controlwithin theindustryand itsvarious segments. Otherprocess variablessuch as level,volume, flow rate anddensity areeasily inferredbypressure. Key - words: Measurement, Pressure, Control.

2 1. INTRODUÇÃO A medição de pressão é um ponto importante desde o século XIV. O italiano Galileu Galilei ( ) recebeu patente por um sistema de bomba d água usada na irrigação em 1.59, usando apenas um tubo de ensaio e uma bacia com água, Galileu montou o primeiro termômetro. Ele colocou um tubo com a boca para baixo, semi-submerso na água. Assim, quando o ar de dentro do tubo esfriava, o volume diminuía e subia um pouco de água dentro do cilindro de vidro. Quando o ar esquentava, o volume aumentava e a água era empurrada para fora. O nível da água, portanto, media a temperatura do ar -. O coração da sua bomba era um sistema de sucção que ele descobriu ter a capacidade de elevar a água no máximo 1 metros. A causa desse limite não foi descoberta por ele, o que motivou outros cientistas a estudarem esse fenômeno. Em 1.643, o físico italiano Evangelista Torricelli ( ) desenvolveu o barômetro. Com esse aparelho, avaliava a pressão atmosférica, ou seja, a força do ar sobre a superfície da terra. Ele fez uma experiência preenchendo um tubo de 1 metro com mercúrio, selado de um dos lados e mergulhado em uma cuba com mercúrio do outro. A coluna de mercúrio invariavelmente descia do tubo até a cerca de 76 mm. Sem saber exatamente deste fenômeno, ele atribui a uma força vinda da superfície terrestre. Torricelli conclui também que o espaço deixado pelo mercúrio no começo do tudo não continha nada e o chamou de vaccum (vácuo).o físico concluiu então essa experiência dizendo que o que mantinha a coluna de mercúrio nesta altura era a pressão atmosférica. A coluna de 76 cm só é obtida no nível do mar, pois quando a altitude varia a pressão atmosférica também varia como citado anteriormente. Com essa experiência defini-se que ao nível do mar 1atm (uma atmosfera) é a pressão equivalente a exercida por uma coluna de 76cm de mercúrio, onde g = 9,8 m/s², portanto: 1atm = 76 cmhg = 76 mmhg = 1,1.15 Pa. PRESSÃO Pressãoé uma grandeza quantificada através da razão entre a força (F) e a área (A) da superfície (objeto ou espaço, seja ele líquido, gasoso ou sólido), onde a força é aplicada. Podendo também indicar a força exercida sobre alguma coisa, além de também possuir o significado de comprimir um objeto ou um gás, ou ainda pressionar algo ou alguém.

3 3 O vetor força muda conforme a orientação do plano onde é aplicado, porém o valor da pressão permanece o mesmo, ou seja, é independente de direção. O vetor força que caracteriza a pressão pode ser relacionado ao vetor da força normal, uma vez que ambos são perpendiculares à superfície. É possível também medir a pressão através de instrumentos como: Barômetro (pressão atmosférica); Manômetro (pressão de fluídos em recipientes fechados); Piezômetro (pressão e monitoração de níveis em aquíferos); Vacuômetro (como o barômetro, mas para medir pressões baixas, próximas do vácuo). A pressão média é igual ao quociente da resultante das forças perpendiculares à superfície de aplicação e a área desta superfície. Figura 1 Fórmula Pressão Fonte: Sendo: p= Pressão (Pa) F=Força (N) A=Área (m²) A unidade de pressão no Sistema Internacional de Unidades - SI é o Pascal (Pa), em homenagem a Blaise Pascal, que é o nome adotado para N/m². 1 N/m = 1 pascal = 1Pa Abaixo apresenta outras unidades de pressão e suas relações com a unidade do SI : 1dyn/cm (bária) =,1 Pa 1 kgf/cm = 1 Pa 1atm = 1,113x1 5 Pa 1lb/pol = 6,9x1 3 Pa

4 4 3. PRESSÃO ATMOSFÉRICA A pressão exercida pela camada de moléculas de ar sobre a superfície é denominada pressão atmosférica, a força exercida pelo ar aumenta em um determinado ponto, consequentemente a pressão também aumentará. A pressão pode variar de acordo com a altitude, ou seja, quanto maior a altitude menor a pressão e, consequentemente, quanto menor a altitude maior a pressão exercida pelo ar da superfície terrestre.o equipamento utilizado na medição de pressão é denominado barômetro. 4. PRESSÃO RELATIVA POSITIVA OU MANOMÉTRICA A medição da pressão em relação à pressão atmosférica existente no local é conhecida como pressão manométrica, representada pela letra G e pode ser positiva ou negativa. A pressão negativa é determinada pressão de vácuo, indicando níveis de pressão inferiores à pressão de referência.já a pressão relativa positiva é quando a pressão interna de um reservatório for maior do que a pressão atmosférica local. A pressão indicada nos manômetros é uma pressão relativa, exemplos de pressão manométrica é o calibrador de pressão dos pneus de automóvel e o esfigmomanômetro (medidor de pressão arterial) que mede a pressão manométrica do sangue. 5. PRESSÃO RELATIVA NEGATIVA OU VÁCUO Pressão relativa negativa ocorre quando a pressão interna de um reservatório for menor do que a pressão atmosférica externa, como já citado acima indicando níveis de pressão inferiores à pressão de referência. 6. DIAGRAMA COMPARATIVO DAS ESCALAS - Pressão Relativa (ou P. Efetiva ou Pressão) - Pressão Absoluta (ou Zero Absoluto ou Vácuo Perfeito) Pabs = Prel + Patm

5 5 Figura Diagrama comparativo das escalas de pressão Fonte: Viana (1999) 7. PRESSÃO DIFERENCIAL È utilizada para medir vazão, nível e pressão, representada pelo símbolo P (delta P). Sendo a diferença entre duas pressões. 8. PRESSÃO ESTÁTICA A pressão transmitida pelo fluido nas paredes da tubulação ou do vaso é denominada pressão estática. Caracteriza-se pelo peso exercido por uma coluna líquida em repouso ou que esteja fluindo perpendicularmente a tomada de impulso. 9. PRESSÃO DINÂMICA É a pressão proveniente da velocidade do fluido na tubulação, exercida por fluido em movimento ou tomada de impulso no sentido do impacto do fluxo (paralelo a sua corrente).

6 6 1. PRESSÃO TOTAL A resultante da somatória das pressões estáticas e dinâmicas exercidas por um fluido que se encontra em movimento caracteriza a pressão total. Para isto é necessário fazer a conversão, devido às várias unidades de pressão existentes. Sabe-se que 1psi =,73 Kgf/cm², então um exemplo: 1 psi = _?_Kgf/cm² 1 X,73 =,73 Kgf/cm² 11. UNIDADES DE PRESSÃO A unidade de medida do Sistema Internacional - SI de pressão é o N/m. A ela deram o nome de pascal (Pa) em homenagem a Blaise Pascal ( ), um matemático e cientista francês: 1 Pa = 1N/m, ou seja, 1 Pa é a pressão gerada pela força 1 Newton agindo sobre uma superfície de 1 metro quadrado. Outra unidade relacionada, usada algumas vezes para expressar pressão, é o bar, que é igual a 1 5 Pa. A pressão atmosférica no nível do mar é aproximadamente 1 kpa ou 1 bar. A pressão atmosférica real em qualquer local depende das condições do tempo e da altitude. No início do século XVII, acreditava-se que a atmosfera não tinha peso. Evangelista Torricelli ( ), que foi discípulo de Galileu, inventou o barômetro para mostrar que a atmosfera tinha peso. Assim, a pressão atmosférica padrão define algumas unidades comuns, que não são do SI, usadas para expressar as pressões de gases, como a atmosfera (atm) e o milímetro de mercúrio (mmhg). A última unidade é também chamada torr, em homenagem a Torricelli. 1. DISPOSITIVOS PARA MEDIÇÃO DE PRESSÃO Os dispositivos de medição de pressão são importantes para garantir a qualidade do produto e a segurança dos trabalhadores que estão envolvidos na área de produção. O avanço tecnológico é um fato que proporcionou a criação de novos instrumentos/dispositivos que podem garantir melhor precisão nas medições, assim gerando um índice menor de desperdício, e consequente aumento da qualidade dos produtos.

7 7 Existem diversos tipos de manômetros que medem diferentes pressões determinadas, cada um com suas características tanto internas como externas, medindo pressões altas ou baixas.os calibradores de pneus, por exemplo, medem a pressão do ar nos pneus de automóveis e bicicletas. Nos laboratórios usamos, algumas vezes, um dispositivo chamado manômetro. Um manômetro opera baseado em um princípio similar ao barômetro. A tabela abaixo mostra as principais unidades e a conversão entre as mesmas: inh atm bar KPa kgf/cm mmh mmh inhg psi C g F 1,5,4 9,486 4,5 4 5,4 1,8649 7,734,36 6 Atm 47, , ,3 5 1, ,8 759,99 9 9, ,695 9 Bar 4,18 5, , 1, ,5 75,6 9,53 14,53 8 kpa 4,18 5,98 7,1 1,1 1,155 7,56,953,145 4 kgf/cm 394,4 7,9678 4, , ,9 735,55 8 8,959 14,3 3 mmh O,393 7,1,1,97 9,1 1,734,8 3,1333, ,6195 1,393 7, oF 13,619 5,334, ,3863 8, ,935 5,4 1, Psi 7,79,68,689 6,8947,73 74,333 51,714, Tabela 1 Tabela de conversão das unidades de pressão Fonte: Viana (1999)

8 8 13. O TUBO DE BOURDON Os manômetros com tubo de Bourdon é um medidor de pressão. A medição da pressão assume grande importância na indústria sendo o manômetro de Bourdon uma das soluções mais frequentemente utilizadas. O funcionamento deste tipo de manômetros é baseado na alteração da curvatura originada num tubo de secção elíptica pela pressão exercida no seu interior. A secção elíptica tende para uma secção circular com o aumento da pressão no interior do tubo levando a que o tubo se desenrole. Este tubo tem a uma das extremidades fechadas e ligada a um mecanismo (com rodas dentadas e mecanismos de alavanca) que permite transformar o seu movimento de "desenrolar" (originado pelo aumento de pressão no interior do tubo) no movimento do ponteiro do manômetro. A medida da pressão é relativa uma vez que o exterior do tubo está sujeito à pressão atmosférica. Figura 3 Manômetro tipo Bourdon Fonte: DIAFRAGMA OU MEMBRANA As válvulas diafragma (ou válvulas de membrana) possui um corpo de válvula com duas ou mais portas, um diafragma e uma "sela" ou assento em que o diafragma fecha a válvula. A válvula é construída a partir de plástico ou aço. As válvulas diafragma podem ser manuais ou automatizadas. Suas aplicações geralmente são como válvulas de corte em sistemas de processo de alimentos, bebidas, farmacêuticos e biotecnológicos.

9 9 A geração mais antiga destas válvulas não é adequada para regular e controlar os fluxos de processo, porém novos desenvolvimentos nesta área têm enfrentado com sucesso esse problema. Figura 4 Princípio de funcionamento de uma bomba de diafragma Fonte: px-bomba_diafragma.jpg Figura 5 Bomba de diafragma aspirando Fonte: ando.jpg/px-bomba_diafragma_aspirando.jpg Figura 6 Bomba de diafragma impulsionando Fonte: jpg O processo da bomba de diafragma, é um tipo de bomba de deslocamento positivo, geralmente alternativo, na que o aumento de pressão se realiza pelo empurrar de uma parede elástica membrana ou diafragma que variam ovolume da câmara, aumentando-lhe e diminuindo-lhe alternativamente. Umas dessas válvulas de retenção, normalmente de bolas de elastômero, controlam que o movimento do fluido se realize da zona de menor pressão para a de maior pressão.

10 1 15. SENSOR POR SILÍCIO RESSONANTE ABSOLUTA O sensor é constituído por uma cápsula de silício colocada taticamente em um diafragma,sendo utilizada do diferencial de pressão para vibrar em maior ou menor intensidade, afim de que essa frequência seja proporcional a pressão aplicada. Figura 7 Sensores de Silício ressonante Fonte: A ressonância do sensor de silício é influenciada pelos seguintes fatores: Pressões exercidas sobre o sensor; O campo magnético gerado por um imã permanente posicionado sobre o sensor; O campo elétrico gerado por uma corrente alternada. sensor. A combinação do fator campo magnético/campo elétrico é responsável pela vibração do Figura 8 Influências na ressonância do sensor de silício Fonte:

11 11 No sensor Silício Ressonante, usa-se o silício para ressonar com diferentes frequências que são funções da expansão/compressão. Ao centro do diafragma (FC) ficará localizado um dos sensores,o outro terá a sua disposição físicamais à borda do diafragma (FR).Um sensor sofrerá uma compressão e o outro sofrerá uma tração conforme a aplicação de pressão sentida pelo diafragma, por estarem localizadas em locais diferentes, porém no mesmo encapsulamento. Sendo assim, pode ser sentida por um circuito eletrônicos sensores que possuirão uma diferença de frequência entre si. Essa diferençade frequência será proporcional aop aplicado. 16. SENSOR PIEZOELÉTRICO Figura 9 Sensor Pezoelétrico Fonte: SchemaPiezo.gif (56 56 pixels, tamanho: 18 kb, tipo MIME: image/gif, cíclico, 5 quadros) Os elementos piezoelétricos são cristais, como o quartzo, a turmalina e o titanato que acumulam cargas elétricas em certas áreas da estrutura cristalina, quando sofrem uma deformação física, pôr ação de uma pressão. São elementos pequenos e de construção robusta. Seu sinal de resposta é linear com a variação de pressão, são capazes de fornecer sinais de altíssimas freqüências de milhões de ciclos pôr segundo. Piezoeletricidade é a capacidade de alguns cristais gerarem tensão elétrica por resposta a uma pressão mecânica. O termo piezoeletricidade provém do grego (piezein), que significa, apertar/pressionar. Referente a geração de corrente elétrica, juntou-se a designação eletricidade, de modo que piezoeletricidade é interpretado como a produção de energia elétrica devido a compressão sobre determinados materiais. Assim como a geração de uma tensão por uma deformação mecânica é possível, o efeito reverso também pode acontecer, com a ocorrência de uma deformação mecânica em

12 1 função da aplicação de tensão elétrica. As aplicações dos materiais com propriedades piezoelétricas são variadas, indo desde sensores para estacionamento, passando por telas touche screnn de dispositivos móveis, até transdutores ultrassonicos empregados em sistemas de radar e sonar, além de novas aplicações que vem sendo desenvolvidas com a utilização de nanotecnologia e a busca por formas sustentáveis de se aproveitar e maximizar a energia que pode ser gerada pelos piezoelétricos. Apesar de poucos materiais piezoelétricos conhecidos, principalmente na área de materiais metálicos (Ligas), pode-se perceber a grande importância e a diversa aplicabilidade destes materiais. Sem falar que o estudo dos materiais piezoelétricos está ligado diretamente às inovações tecnológicas de grande valor, melhorando a exploração e o conhecimento de informações dos quais sem o mesmo não seria possível detectar. Pode-se, encontrar materiais piezoelétricos na indústria automobilística, aeronáutica, naval, de eletro-eletrônicos, médica etc. 17. SENSOR TIPO STRAIN GAUGE OU PIEZORESISTIVO A piezo-resistividade refere-se à mudança da resistência elétrica com a deformação/contração como resultado da pressão aplicada. Na sua grande maioria são formados por elementos cristalinos (strain gage) interligados em ponte (wheatstone) com outros resistores que provém o ajuste de zero, sensibilidade e compensação de temperatura. O material de construção varia de fabricante para fabricante e hoje em dia é comum sensores de estado sólido. Desvantagens: faixa limitante de temperatura de operação, aplicável em ranges baixos de pressão por gerarem um sinal muito baixo de excitação, muito instável. Atualmente existe o chamado Film Transducer, o qual é construído com a deposição de vapor ou injeção de elementos strain gage diretamente em um diafragma, o que minimiza a instabilidade devida ao uso de adesivos nas ligas nos modelos Bonded Wire.A grande vantagem é que já produz um sinal eletrônico num nível maior, porém em altas temperaturas são totalmente vulneráveis, já que a temperatura afeta o material adesivo utilizado ao colar o silício ao diafragma. Várias técnicas baseadas na fabricação de sensores de silício piezo-resistivo (silicon substrate) estão emergindo, mas são susceptíveis a degradação de seus sinais em função da temperatura e exigem circuitos complicados para a compensação, minimização do erro e

13 13 sensibilidade do zero.totalmente inviáveis em aplicações sujeitas a temperatura altas por longo períodos, uma vez que a difusão degrada os substratos em altas temperaturas. Figura 1 Sensor Piezo-Resisitivo. Fonte: 18. FOLE O fole também pode ser muito utilizado na medição de pressão. Ele é basicamente um cilindro metálico, corrugado ou sanfonado. Quando uma pressão é aplicada no interior do fole, provoca sua distensão, e como ela tem que vencer a flexibilidade do material e a força de oposição da mola, o deslocamento é proporcional à pressão aplicada à parte interna. 19. COLUNAS DE LÍQUIDO Consiste, basicamente, num tubo de vidro, contendo certa quantidade de líquido, fixado a uma base com uma escala graduada. As colunas podem ser basicamente de três tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de U. Os líquidos mais utilizados nas colunas são: água (normalmente com um corante) e mercúrio. Quando se aplica uma pressão na coluna o líquido é deslocado, sendo que este deslocamento é proporcional a pressão aplicada.

14 14. CONSIDERAÇÕES FINAIS Nos processos industriais é necessário medir-se a pressão possibilitando a monitoração e controle da mesma. O tipo de instrumento a ser utilizado para a medição de pressão depende dos níveis de precisão e detalhamento requeridos para a particular aplicação, sendo assim a medição da pressão pode ser realizada de várias maneiras, portanto, devem ser considerados a faixa da medição, a aplicação do sistema e as condições do processo. 1. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AUGUSTO, Nathan. Pressão e pressão atmosférica. Disponível em: < Acesso em: 8 ago. 15. CASSIOLATO, César. MEDIÇÃO DE PRESSÃO: Características, Tecnologias e Tendências. Disponível em: < Acesso em: 3 ago. 15. PENAS, Rodolfo Alves. Pressão atmosférica. Disponível em: < Acesso em: 8 ago. 15. TOFFOLI, Leopoldo. Pressão atmosférica. Disponível em: < Acesso em: 8 ago. 15. VIANA, Ulisses Barcelos. Instrumentação básica I: pressão e nível. Disponível em: < Acesso em: 8 ago. 15 VOGES, Cleber. Mecânica dos Fluídos: Tipos de medidores de pressão. 1. Disponível em: < Acesso em: 3 ago. 15.